SU600497A1

SU600497A1 - Quantum magnetometer

Info

Publication number: SU600497A1
Application number: SU762347576A
Authority: SU
Inventors: Валерий Васильевич Гордеев; Иван Егорович Гринько; Петр Семенович Овчаренко; Иван Анатольевич Шушпанов
Original assignee: Предприятие П/Я В-8708
Priority date: 1976-04-12
Filing date: 1976-04-12
Publication date: 1978-03-30

Description

Изобретение относитс к магнитометрам, в основе работы которых лежит вление магнитного резонанса дер, и может быть использовано как в области магнитометрии, так и в области измерительной техники при создании прецизионных датчиков углового положени .The invention relates to magnetometers, which are based on the phenomenon of magnetic resonance nuclei, and can be used both in the field of magnetometry and in the field of measuring equipment for creating precision angular position sensors.

Известны схемы квантовых магнитометров, основанные на измерении частоты прецессии атомов рабочего вещества датчика в нсследуемом магнитном поле, на измерении разности фаз или тока, в компенсирующей катушке , пропорциональных разности между частотой прецессии и частотой опорного генератора .Known schemes of quantum magnetometers, based on measuring the precession frequency of the atoms of the working substance of the sensor in a non-tracked magnetic field, on measuring the phase difference or current in a compensating coil, proportional to the difference between the precession frequency and the frequency of the reference generator.

Известен квантовый магнитометр с оптической ориентацией дер, нзмер юпшй составл ющие посто нного магнитного пол , перпендикул рные резонансному )i ер сменному магнитному полю.A quantum magnetometer with an optical orientation of the nuclei, the size of the constant magnetic field components perpendicular to the resonant field and an interchangeable magnetic field is known.

Магнито.метр содержит чейку поглощепи , наполненную двум изотопами ртути lig и pjg20i спектральную лампу со смесью изотопов Hg2°2 и , генератор возбуждени спектральной лампы, газовый фильтр, линейные пол ризаторы, л/4-пластинку, анализатор , катушку посто нного магнитного нол , катушку пол модул ции, катушку обратной св зи, компенсируюн1ую катушку, источник посто нного тока, фотонриемннк, усилитель, The magnetometer contains an absorbing cell filled with two mercury isotopes lig and pjg20i spectral lamp with a mixture of Hg2 ° 2 isotopes and a spectral lamp excitation generator, gas filter, linear polarizers, l / 4 plate, analyzer, permanent magnetic coil, modulation field coil, feedback coil, compensating coil, dc source, photon receiver, amplifier,

22

режекториый фильтр, опориый генератор, первый и второй делители частоты, фазовый и с 1ихропный детекторы.notch filter, reference oscillator, first and second frequency dividers, phase and 1-path detectors.

Ячейка поглощени находитс в посто нном (Яо) и переменном (Я,) магпитных пол х , параллельных друг другу, причем частота соо переменного магннтного нол равна нлн близка к частоте прецессии дер в поле НоЕсли поле //о и поле HI строго параллельны, дерный магнитный резонанс на частоте соо 7//о отсутствует (у - гнромагннтное отношение дер). При наличии поперечного поето нного магнитного пол Я, возникает магннтиый резонанс дер на частоте модулирующего пол Я;, причем величина регистрируемого фотодетектором снгпала проиорцнональна величине нол Н. Чувствнтельность тако1о магнитометрп к поперечным состав .м юииьм магнитного но.ч достигает э.The absorption cell is in constant (Yao) and alternating (I,) magneto fields x parallel to each other, and the frequency of the coherent alternating magnet zero is nln close to the precession frequency of the nuclei in the field If the field // o and the field HI is strictly parallel, nuclear the magnetic resonance at the frequency coo 7 // o is absent (y is the gnromagnet ratio of the nuclei). In the presence of a transverse magnetic field I, a magnetic resonance of nuclei occurs at the frequency of the modulating field I ;, moreover, the magnitude of the recorded by the photoplay detector is about zero N. The sensitivity of the magnetometer to the transverse composition of the magnetic field reaches e.

С другой стороны. по вле1 ие поперечных к полю //1 компонент магнитного пол эквивалентно угловом} рассогласованию между посто нным и )1ереме1 ным пол ми, а возникающий сигнал пропо)ционален этому раееоглаеованню . Таким образом, на базе рассмотренного магнитометра может быть создан высокочувствительный датчик углового рассогласовани .On the other hand. by the appearance of the transverse to the field // 1 component of the magnetic field is equivalent to the angular mismatch between the constant and the alternating fields, and the resulting signal is consistent with this approach. Thus, on the basis of the considered magnetometer, a highly sensitive angle mismatch sensor can be created.

Целью изобретени вл етс расширение функцнональн1,1х возможностей магнитомет3The aim of the invention is the expansion of the functional 1.1 x capabilities of magnetometers 3

pa, копкрет1 о---обеспсче1П1е возможности iicпо;1ьзовани его также в качестве прецизионного датчика углового положени .pa, a special component is the ability to provide its capabilities; also use it as a precision angular position sensor.

Цель достигаетс тем, что в магннтометр введены магинтостатнческии экран, окружаюnuift чейку иоглои1,еи11 и указаиные катунь ки, переключатель, первый контакт которого соедннен с выходом первого делител частоты , второй-с катушкой посто нного магнитного ПОЛЯ, а третий - с катушкой модул ции иол , причем катушка модул ции иол выполиена с возможноетыо поворота в иаправлении , перпендикул рном ее оси.The goal is achieved by introducing a magnetostatic screen, surrounding a cell iogloi1, ei11 and pointing coils, a switch, the first contact of which is connected to the output of the first frequency divider, the second one with a coil of a constant magnetic FIELD, and the third one with a modular coil, , moreover, the modulation coil is molded with polypropylene with possibly some turning in a direction perpendicular to its axis.

На чертеже даиа схема предлагаемого кваитоБого магиитометра.In the drawing, the diagram of the proposed magnetometer is proposed.

Он содержит чейку 1 поглощени , катушку 2 посто нного магпитиого пол , катушку 3 компенсацин изменени пол Яо. катушку 4 обратной св зи, катушку 5 пол модул ции и спектральную лампу 6, генератор 7 возбуждени сиектральиой лампы, газовый фильтр 8, линейные пол ризаторы 9-II, А/4-плаетинку 12, линейный аиалнзатор 13, фотоприемник 14, усилитель 15, режекторпый фильтр 16, опорный генератор 17, делители частоты 18, 19. Фазовый детектор 20, сиихроииый детектор 21, нсточннк посто нного тока 22, переключатель 23 на два положени , магиитостатический экран 24.It contains an absorption cell 1, a constant magnetized field coil 2, a compensation coil 3 for changing the Yao field. coil 4 feedback, coil 5 modulation field and spectral lamp 6, generator of excitation of a vector lamp, gas filter 8, linear polarizers 9-II, A / 4-flame 12, linear aerial 13, photodetector 14, amplifier 15, notch filter 16, reference oscillator 17, frequency dividers 18, 19. Phase detector 20, sheikh detector 21, DC voltage 22, two position switch 23, magistostatic screen 24.

Предложенный магннтометр работает следуюшим образом.The proposed magnetometer works as follows.

В случае, когда замкнуты контакты I и II переключател 23, а магннтостатичеекий экран отеутствует, устройство работает как магнитометр и вл етс полным аналогом прототипа . В случае, когда замкнуты контакты I и III переключател 23 н установлен магнитостатичеекпй экран, иредставлениое устройство работает как датчик углового рассогласовани между полем Яо и полем Н.In case the contacts I and II of the switch 23 are closed, and the magnetostatic screen is absent, the device operates as a magnetometer and is a complete analog of the prototype. In case the contacts I and III are closed, the switch 23 n has a magnetostatic screen, and the presentation device works as an angle mismatch sensor between the Yao field and the H field.

Работа магнитометра в качестве датчика углового гюложенн заключаетс в следующем .The operation of the magnetometer as an angular sensor is as follows.

Пусть в исходном положении поле Яо, создаваемое катушкой 2 и иоле Я создаваемое катушкой 5 соосны. Резонансное испол ризованиое излучение, создаваемое спектральной лампой 6, отразившись от линейных пол ризаторов 10 н 11, проходит через /./4-иластиику 12, пол ризу сь по кругу, и попадает па чейку поглогцени 1, ,ествл оптическую ориентацию магнитных моментов дер обоих изотопов в направлении пол Яо. Детектирующий луч евета, создаваемый той же спектральной лампой 6, проходит через фильтр 8, линейный пол ризатор 9, иоглои1,аюн1ую чейку 1, линейный анализатор 13 и попадает на фотоирнемпик 14. Плоскость пол ризации детектирующего луча модулируетс поиеречнымн компоиептамн дерной намагннчеииости с частотами прецессии coi и oja- Сигналы иа частотах прецессии ы и oj2, выделенные фотоприемпиком 14, усиливаютс в усилителе 15 и подаютс на снгиальные входы фазового детектора 20, синхронного детектора 21 н наSuppose that in the initial position the Yao field created by coil 2 and I and I created by coil 5 is coaxial. The resonant use of the radiation produced by the spectral lamp 6, reflected from linear polarizers 10 and 11, passes through the f. 12 electrolysis 12, polarizes in a circle, and penetrates the circuit, 1, the optical orientation of the magnetic moments of both isotopes in the direction of the floor Yao. The detection beam created by the same spectral lamp 6 passes through filter 8, linear polarizer 9, and 1, cell 1, linear analyzer 13 and enters the photo-polar 14. The polarization plane of the detecting beam is modulated by a multiplex component of the source magnet. and oja- The signals at the frequencies of the precession and oj2, allocated by the photoderipe 14, are amplified in the amplifier 15 and fed to the secondary inputs of the phase detector 20, the synchronous detector 21 n

4four

вход режектор1 ого фн.тьтра IG. Сигнал на частоте соо, пройд режекторш п (лктьтр 16, создает в катушке 4 обратной св з1 г;;ременное магнитное поле, иоддерживаюи1ее неза1ухаюи1у1о ирецессию дер иа частоте 0)2, т. е. на частете otg возбуждаетс генератор , который называетс дериым сиии-|-еиератором . Сигиал иа частоте ирецессин oji дер lig подавл етс режекторным фильтром 16, иастроеииым иа частоту ол. Цепь стабилизации пол Яо, включающа фазовый детектор 20 и компенсирующую катушку 3, приводит в соответствие частоту Ш2 с частотой соо2, вл юн-1,ейс опорной дл фазовогоinput notch 1 st fn.ttra IG. The signal at the frequency co, passed through the rejection n (LCT-16, creates in the coil 4 a feedback connection; 1 ;; - | -eierator The sigial frequency and the oji der lig process are suppressed by a notch filter 16, and the frequency is ol. The stabilization circuit of the Yao field, which includes the phase detector 20 and the compensating coil 3, aligns the frequency W2 with the frequency co2, is Yun-1, it is the reference for the phase

детектора 20. При достиженнн равенства (02 соо2 автоматически устанавливаетс равенство (1)1 0)01 (где ojoi - частота модулирующего пол Я1}, поскольку отнощение коэффициентов деленн первого делнтел частоты 18 и второго делител частоты 19 равио отношению гидромагнитных отношеннй дер I-Ig2oi и ngi99.detector 20. When equality is reached (02 coo2, equality (1) 1 0) 01 is automatically set (where ojoi is the frequency of the modulating field H1), since the ratio of the coefficients divided by the first frequency link 18 and the second frequency divider 19 is the ratio of the hydromagnetic ratios of I-Ig2oi and ngi99.

Таким образом, созданы услови дл возбуждеии вынужденной ирецесснн на частоте 0)1. При соосности иол Яо и пол Я1 отсутствует поперечна к полю Яо компоиеита модулирующего иол Яь вызываюиш прецессию магпнтиого момента J-Ig вокруг пол , и еигиал прецессии па частоте MI, ие наблюдаетс . При повороте катушки 5 модулнрЗюихего пол //i иа угол ср вокруг осп л по вл етс поперечна к полю Яо компонеита модулирующего пол sin ф, а на выходе усилител 15 по вл етс сигнал наThus, conditions are created for the stimulation of forced and recession at a frequency of 0) 1. With coaxiality, Iol Yao and Paul I1 are absent transverse to the Yao field of the modulating Iol Ya component, causing the precession of the J-Ig magnetic moment around the floor, and extreme precession on the MI frequency, which is not observed. When the coil 5 is rotated, the modulated field // i and the angle cp around the smallpox appears transverse to the Yao field of the componeite of the modulating field sin f, and the output of the amplifier 15 shows a signal

частоте coi, пропорциональный величине Hi sincp. Этот сигнал на синхронном детекторе 21 сравниваетс с еитпалом на частоте модулируюш .его пол Н, поступающей е выхода делител частоты 18, и на выходе снихроиногоfrequency coi, proportional to the value of Hi sincp. This signal at the synchronous detector 21 is compared with its frequency at the modulated frequency of its field H, the incoming e output of the frequency divider 18, and at the output of the snohroin

детектора 21 по вл етс снгнал, иропорциональный углу поворота катушкн модулирующего пол 5 вокруг оси X. Если катушка 5 модулируюшего иол Я1 будет иметь степеиь свободы вокруг оси у, то па выходе синхропиого детектора будет регистрироватьс сигнал , пропорциоиальный углу поворота катушки 5 модулирующего иол Я1 вокруг оеи у. При реализовапной чувствительности магнитометра , равной э в поле ,Detector 21 will appear, proportional to the angle of rotation of the coils of the modulating field 5 around the X axis. If the coil 5 of the modulating ion H1 has a degree of freedom around the y axis, then a signal proportional to the angle of rotation of the coil 5 of the modulating radiation Iol H1 around will be recorded on the output of the synchro detector oi u With realizable sensitivity of the magnetometer, equal to e in the field,

чувствительиость устройства к повороту катушки 5 составл ет 57, угл. град. 210-2 урд Q Достоипством ирсдложе1гиого устройства по сравпепию с известным вл етс то, что оно может решать более пшрокий круг задач и может найти примеиеиие пе только в магиитометрии, но и при рсшеинн комплекеных задач, ев занных с .Л1агнитиыми и иреиизноинымн угловымн измерени ми.The device's sensitivity to rotation of the coil 5 is 57, coal. hail. 210-2 QD The advantage of an uncomplicated device with reference to the well-known is that it can solve a wider range of problems and can find an application not only in magitometry, but also for complex problems that are connected with .L1magnetism and idioproductin angular measurements. .

Ф о р м у л а и 3 о б р е т е и и Ф орм ул а and 3 о б р е e and u

Квантовый магнитометр, содержащий чейку поглои,еии , катушку посто нного магнитiforo пол , катушку компенсацпи измеиени этогО иол , катущ ;у модул ции пол , псточник иосто ииого тока, спектральиую ламиу.A quantum magnetometer containing a cell of a cell, a coil, a permanent magnet field, a coil of compensation for this, a coil, a modulation field, a current and a current, a spectral lamio.

генератор во.чспждени спектра :ы1ои лампы, газовый фильтр, лппеппые пол ри.гпОры i: анализатор, /./4-пластиЕ1ку, фотолрнемпнк, усилитель, режекторный фильтр, катушку обратной ев зн, опорный генератор, первый и второй делнтслп частоты, фазовый и синхронный детекторы, от л и ч а ю HUI и с тем, что, с целью распшрени его функциональных возможностей, в него введены магнитостатпч . эг;р::11, окружающий чейку поглоще1:;: и ук:;заи1;ь е , переключатель, первый контакт которого соединен е выходом первого делител чаетоты, второй - е катушкой посто нного aгliнтиoгo пол , а третий-с катушкой мод}л цНП пол , причем катушка модул ции пол выполнена е возможностью поворота в направленнн, нерпендикул 1ном ее оеп.Spectrum Generator: Lamps, Gas Filter, Light Filters, Analyzer, / / 4 Plasma E1, Photo Light, Amplifier, Notch Filter, Coil Reverse, Reference Frequency Generator, First and Second Frequency Splitter, Phase and synchronous detectors, from the HUI section and with the fact that, in order to expand its functionality, magnetostatch were introduced into it. eg; p :: 11, surrounding the cell absorber1:;: and UK:; zai1; s, the switch, the first contact of which is connected by the output of the first divider of the cell, the second - by the coil of the constant agrofinite field, and the third by the mode coil} l cnp field, moreover, the modulation coil field is made by the possibility of rotation in the direction directed, its perpendicular 1 oep.

W2W2

- 1/- one/

/ /:3/ /: 3